芯棒橫移車設(shè)備優(yōu)化研究

暢興剛

（太原重工股份有限公司,山西 太原 030009）

包鋼無縫100連軋項(xiàng)目中，芯棒橫移車采用了空中橫移機(jī)構(gòu)，對芯棒起到了保護(hù)作用，其運(yùn)行節(jié)奏也滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行的要求，但使用過程中該處成為了整個(gè)生產(chǎn)節(jié)奏的瓶頸。為進(jìn)一步優(yōu)化提高，特對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析研究，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行了對比，確定其優(yōu)化的方向和空間，更好地服務(wù)生產(chǎn)。

1 原有設(shè)備的分析和計(jì)算[1-3]

1.1 芯棒橫移車運(yùn)行學(xué)分析計(jì)算

芯棒橫移車（見圖1）完成一個(gè)循環(huán)需要進(jìn)行如下操作：

圖1 芯棒橫移車循環(huán)周期圖

1）冷卻后芯棒提升至最高位。芯棒經(jīng)軋制后溫度過高，需經(jīng)過冷卻水冷卻后被移送至冷卻裝置出口輥道上。此時(shí)，芯棒橫移車料鉤處于輥道下方，當(dāng)檢測到芯棒后，啟動(dòng)提升電機(jī)將芯棒提到最高位。

2）芯棒小車行走至預(yù)穿工位。當(dāng)檢測元器件檢測到芯棒已到最高位后，行走電機(jī)啟動(dòng)，將帶芯棒的橫移車平移至預(yù)穿工位。

3）料鉤下降至最低位。橫移車到達(dá)預(yù)穿工位后，提升電機(jī)啟動(dòng)，芯棒下降至預(yù)穿工位。此時(shí)注意芯棒下降速度控制，不允許出現(xiàn)芯棒磕碰現(xiàn)象，芯棒落在預(yù)穿輥道后，橫移車料鉤繼續(xù)下降至最低位。

4）芯棒橫移車平移出預(yù)穿工位。檢測到芯棒橫移車到達(dá)最低位后，行走電機(jī)啟動(dòng)平移向后退出預(yù)穿工位。

5）料鉤提升至最高位。檢測到芯棒橫移車退出預(yù)穿工位后，提升電機(jī)啟動(dòng)，將料鉤提升到最高位。

6）芯棒橫移車行走至待料位。檢測到料鉤最高位后，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)將橫移車平移回退至提升待料位。

7）料鉤下降至最低位。橫移車平移到待料位后，提升電機(jī)下降至最低位。

8）芯棒橫移車平移至接料位。料鉤到最低位后，行走電機(jī)啟動(dòng)，將橫移車從待料位平移至冷卻裝置出口輥道下方待料，待下一支冷卻芯棒到位后繼續(xù)下一個(gè)周期操作。此過程共8個(gè)動(dòng)作。其中，提升高度為1.9 m，行走距離為6.75 m，完成一個(gè)軋制周期時(shí)間不超過32 s。這就對設(shè)備的穩(wěn)定性和控制精度提出了較高的要求。

根據(jù)芯棒橫移車運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)及軋制周期要求，結(jié)合電機(jī)特性曲線，對行走電機(jī)和提升電機(jī)動(dòng)作進(jìn)行了動(dòng)作分解，應(yīng)用計(jì)算初步對芯棒橫移車進(jìn)行了時(shí)間分配（見下頁表1）。

根據(jù)表1和行走距離,假定加減速時(shí)間均為1 s，且加減速加速度一致，可以初算出行走和提升的速度:

表1 芯棒橫移車運(yùn)動(dòng)時(shí)間分配表

式中：v0為行走/提升的速度；s為行程；a為加速度；t為總時(shí)間。

v提升=0.65 m/s，v行走=1.65 m/s。

受短行程影響，加減速時(shí)間較短，按0.5 s加減速進(jìn)行計(jì)算，式（1）和式（2）變更為：

則：v行走=0.75 m/s。

綜合考慮，取v提升=0.85 m/s、v行走=2.1 m/s作為提升和行走的初步最高速度。

1.2 芯棒橫移車動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

芯棒總長16 m，另受周邊設(shè)備影響，橫移車支撐梁跨距將增大到18 m。芯棒橫移車采用單梁結(jié)構(gòu)，行走采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，提升采用鏈輪鏈條裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。單梁結(jié)構(gòu)梁截面為長方形，根據(jù)梁的受力和變形撓度[2],由公式（5）和（6）可以得出梁的截面積。

式中：fmax表示梁的最大變形量；F表示梁的質(zhì)量及外力的總和；l表示鉸點(diǎn)位置長度；G表示材料的彈性模量；I表示梁慣性量；Wt表示梁的抗彎截面模量。

計(jì)算得出梁的截面為：高度為900 mm，寬度為500 mm，高度方向板厚為20 mm，腹板厚度12 mm。再加上提升和行走機(jī)構(gòu)的安裝板，單梁質(zhì)量約為11.3t。

1.2.1 提升電機(jī)的選擇

根據(jù)芯棒質(zhì)量及吊具質(zhì)量，由公式（7）和（8）可以計(jì)算出提升電機(jī)的功率。

式中：J1表示吊具、芯棒等起吊所需物品折算到電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2表示電機(jī)本身折算到輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m表示吊具、芯棒等的質(zhì)量；r表示卷筒半徑；i表示減速比；ω表示角加速度。

可以得出，提升電機(jī)功率P=75 kW。

1.2.2 行走電機(jī)的選擇

依據(jù)橫移小車的質(zhì)量（含提升和行走機(jī)構(gòu)本身質(zhì)量），根據(jù)公式（7）和（8）可以計(jì)算出行走電機(jī)功率P=132 kW。

通過電機(jī)發(fā)熱校核可以計(jì)算出行走和提升電機(jī)功率的發(fā)熱系數(shù)均小于1，故滿足使用要求。

根據(jù)選擇重新計(jì)算芯棒橫移車的軋制周期，計(jì)算結(jié)果為軋制周期T=30.8 s≤32 s。現(xiàn)場實(shí)測，其軋制周期T=31.5 s，這是由于整體設(shè)備質(zhì)量較重、單梁橫移車結(jié)構(gòu)較高、慣性量較大、起停速度較慢引起的。

1.3 芯棒橫移車目前使用狀況及分析

芯棒橫移車目前在正常使用中，現(xiàn)場存在以下的問題：

1）芯棒橫移車運(yùn)行周期較長，限制了軋機(jī)的提速空間。軋機(jī)目前的軋制周期為28 s，32 s左右的芯棒橫移車周期對軋機(jī)影響較大，限制產(chǎn)能的提高。

2）芯棒橫移車單梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重心較高且質(zhì)量較大，起制動(dòng)慣性大，設(shè)備穩(wěn)定性差，定位精度不高，由于重心問題導(dǎo)致橫移車速度無法提升。

3）芯棒橫移車吊具采用橫梁式，為防止下?lián)隙Y(jié)構(gòu)截面大、質(zhì)量大，使得提升電機(jī)的主要負(fù)荷為起吊吊具質(zhì)量。

2 芯棒橫移車結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及措施

通過上述分析，芯棒橫移車目前存在的問題歸納為兩點(diǎn)：單梁橫移車結(jié)構(gòu)雖簡單，但設(shè)備質(zhì)量大、重心高，不易實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位；橫移車吊具限制了起吊的速度和節(jié)奏。

對此，我們對芯棒橫移車進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

2.1 雙梁代替單梁

雙梁代替單梁，設(shè)備質(zhì)量、重心高度雙雙降低，更適合設(shè)備運(yùn)行。

根據(jù)公式（5）和（6）計(jì)算可知，采用兩件490×260×20×10的方梁能夠滿足撓度及強(qiáng)度要求，其中，方梁高度為490 mm，寬度為260 mm，高度方向板厚為20 mm，腹板厚度10 mm，橫梁的質(zhì)量由原11.3 t減輕至9.5 t，其重心更是降低到了輪軸中心附近，這種設(shè)計(jì)更有利于設(shè)備的起制動(dòng)性能。根據(jù)公式（7）和（8）計(jì)算可知，當(dāng)行走速度在2.5 m/s時(shí)，行走電機(jī)的功率選用110 kW就能滿足使用要求，橫移車行走時(shí)間可以縮短為4 s。

基于SolidWorks中Simulation分析，可以看出，雙梁代替單梁后，與原單梁橫移車比較，設(shè)備的最大彎曲撓度和最大彎曲強(qiáng)度更接近于雙方的理論值，設(shè)備設(shè)計(jì)更合理。分析結(jié)果見圖2。

圖2 雙梁小車體彎曲強(qiáng)度和撓度分析

2.2 采用齒輪齒條傳動(dòng)代替鏈輪鏈條傳動(dòng)

采用齒輪齒條傳動(dòng)代替鏈輪鏈條傳動(dòng)后，吊具更輕巧，傳動(dòng)效率更高，提升裝置質(zhì)量大幅度降低。

芯棒起吊采用6件單獨(dú)的吊鉤通過齒輪齒條集中進(jìn)行傳動(dòng)，吊鉤采用長方形梁截面，抗彎效果好，在剛度相同的條件下，整體吊具質(zhì)量由原5 t降至3.6 t。同2.1相同計(jì)算可知，當(dāng)提升速度可以達(dá)到1 m/s時(shí)，電機(jī)功率由原75 kW降至45 kW，節(jié)約能耗的同時(shí)也降低了設(shè)備總質(zhì)量。

3 芯棒橫移車運(yùn)行優(yōu)化及措施

3.1 高速運(yùn)動(dòng)橫移車設(shè)備穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性優(yōu)化

橫移車提升和行走機(jī)構(gòu)如果想要快速、準(zhǔn)確，其穩(wěn)定性能是必不可少的，采用大截面薄壁型鋼是提高橫移車剛性的較好辦法。本項(xiàng)目采用薄壁鋼板焊接式形成大的抗彎截面方梁，既提高了設(shè)備的剛度和抗撓度，又降低了設(shè)備的質(zhì)量和整機(jī)的能耗。

此外，橫移車能夠快速、準(zhǔn)確運(yùn)行的重點(diǎn)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)上。需要通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

1）驅(qū)動(dòng)方式上采用較為精確的齒輪齒條型式，定位更加準(zhǔn)確可靠。

2）驅(qū)動(dòng)齒輪、行走輪及設(shè)備重心軸線盡量重合。驅(qū)動(dòng)輪與設(shè)備重心不一致，設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)圍繞重心產(chǎn)生一個(gè)扭矩，不僅使設(shè)備穩(wěn)定性降低，而且增加了能耗，不利于設(shè)備運(yùn)行。故采用雙梁結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備重心，提高行走驅(qū)動(dòng)軸線高度，使驅(qū)動(dòng)齒輪、行走輪及設(shè)備重心軸線三線合一，進(jìn)一步提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。

3.2 頻繁起制動(dòng)電動(dòng)機(jī)及減速比匹配優(yōu)化

橫移車要求快速頻繁起制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與額定轉(zhuǎn)速平方的乘積最小時(shí)，能獲得啟動(dòng)、制動(dòng)最快的效果，即公式（9）和（10）。

其最佳傳動(dòng)比為：

式中：JD表示電動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；nN表示電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Jm表示橫移車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；nm表示橫移車行走速度；iJ表示最佳減速機(jī)傳動(dòng)比。

根據(jù)公式（9）和（10）可以計(jì)算出，提升最佳速度為1.5 m/s，行走的最佳速度為1.75 m/s。

綜合電機(jī)功率等因素，取提升最佳速度為1 m/s、行走最佳速度為2 m/s作最佳選擇。

4 結(jié)論

芯棒橫移車作為芯棒移送中效果較佳的輸送方式[4]，設(shè)備不僅要安全、可靠，而且做到快速、準(zhǔn)確且能耗低。通過理論計(jì)算及分析，得到以下結(jié)論：

1）芯棒橫移車選擇雙梁結(jié)構(gòu)型式要優(yōu)于單梁結(jié)構(gòu)。

2）芯棒橫移車提升機(jī)構(gòu)選用齒輪齒條式，精度更高，能耗較低。

3）匹配合適的傳動(dòng)比可以獲得高精度、低能耗的傳動(dòng)效果。